压力容器的分析设计

4.4.2.1 应力分类
峰值应力F 峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠 加到一次加二次应力之上的应力增量，介质温度急剧变 化在器壁或管壁中引起的热应力也归入峰值应力 。 主要的特点 高度的局部性，不引起任何明显的变形。其有害性仅 是可能引起疲劳破坏或脆性断裂。
4.4.2.1 应力分类
(1)Loadings
Loadings
Static Cyclic
Design-by-rule
√ x
Design-by-analysis
√ √
(2) Stress calculation
Stress calculation Methods Design-by-rule simple formulas Design-by-analysis Analytic, numerical, experimental mathod
过渡区或 与筒体连 接处 平 盖 中 心 区
內
压
內
压
与 筒 体 连 接 处
內
压
局部薄膜应力一次应力 弯曲应力二次应力
PL Q
表4-15 压力容器典型部位的应力分类
接 管 接 管 壁 內 压 一次总体薄膜应力 局部薄膜应力一次应力 弯曲应力二次应力 峰值应力 薄膜应力二次应力 弯曲应力二次应力 峰值应力 Pm PL Q F Q Q F Q F
一次弯曲应力Pb 一次局部薄膜应力PL
二次应力
峰值应力
一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力
必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系，它随外载 荷的增加而增加，不会因达到材料的屈服点而自行限制，一 次应力的基本特征是“非自限性”。
当一次应力超过屈服点时将引起容器总体范围内 的显著变形或破坏，对容器的失效影响最大。
第四章 压力容器设计
4.4
分析设计
压力容器设计
常规设计
分析设计
GB150《钢制压力容 器》
JB4732《钢制压力容器 -分析设计准则》
4.4.1
概述
常规设计有 哪些的局限 性?
（1）常规设计将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理， 不涉及容器的疲劳寿命问题，不考虑热应力。 （2）常规设计以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础，确定筒 体与部件中平均应力的大小，只要此值限制在以弹性失效设计准则所 确定的许用应力范围之内，则认为筒体和部件是安全的 （3）常规设计规范中规定了具体的容器结构形式，它无法应用于规 范中未包含的其它容器结构和载荷形式，因此，不利于新型设备的开 发和使用。
应力分类小结
一次应力 薄膜应力 弯曲应力 总体薄膜（影响范围遍及全壳） 局部薄膜(原指边缘效应解中的薄膜成份)
Pm PL
Pb
平衡外载荷所必须的;
自限应力
二次应力(由总体结构不连续引起，影响范围为
整个断面或整个厚度）
Q
峰值应力（由局部结构不连续引起，影响范围为
断面或厚度的一小部分）
F
满足变形协调（连续）要求所必须的;
膨 胀 差
任何部件
任
意
径向温度梯 当量线性应力二次应力 度 应力分布的非线性部分 峰值应力
4.4.2.2 容器典型部位的应力分类
举例：厚壁圆筒 厚壁圆筒可以看成由无数个同心但半 径不等的“薄壁圆筒”组合而成，在各 “薄壁圆筒”之间存在总体结构不连续。 分析设计认为沿厚度的平均应力是满 足与外载荷的平衡关系所必须的，属 于一次总体薄膜应力(Pm)，而沿厚度 的应力梯度是满足筒壁各层结构连续 所需要的自平衡应力，因此划分为二 次应力(Q)，如图所示
峰值应力
厚壁圆筒的应力分类
4.4.3 应力强度计算
应力强度 压力容器各点的应力状态一般为二向或三向应力状态，亦即 复合应力状态。分析设计中采用与最大剪应力准则相对应的 应力强度，其值为该点最大主应力与最小主应力（拉应力为 正值，压应力为负值）之差。
根据各类应力及其组合对容器危害程度的不同， 分析设计标准划分了下列五类基本的应力强度：
PL Q
PL Q F
外部载荷或 局部薄膜应力一次应力 力矩，或內 弯曲应力二次应力 峰值应力 压
表4-15 压力容器典型部位的应力分类
碟形封头 或锥形封 头 顶 部 內 压 一次总体薄膜应力 一次弯曲应力 局部薄膜应力一次应力 弯曲应力二次应力 一次总体薄膜应力 一次弯曲应力 Pm PL PL Q Pm PL
Places
shell
All points
(3) Pressure vessel structures
Codes structures Design-by-rule Some structures Design-by-analysis Any structures
Philosophy of design-by-analysis (1)Different types of stress have different degrees of importance to pressure vessels ; (2)If a proper stress analysis can be conducted, a better, less conservative design of pressure vessels can be made.
一次总体薄膜应力强度SⅠ；
一次局部薄膜应力强度SⅡ； 一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力（PL+Pb）强度SⅢ； 一次加二次应力（PL+Pb+Q）强度SⅣ； 峰值应力强度SⅤ（由PL+Pb+Q+F算得）。
4.4.3 应力强度计算
应力强度计算步骤 除峰值应力强度外 ，其余四类应力强度计算步骤为： （1）在所考虑的点上，选取一正交坐标系， 如经向、环向与法向分别用下标x 、q 、z表示， 用x、q和z表示该坐标系中的正应力， txq、txz、tzq表示该坐标系中的剪应力。 （2）计算各种载荷作用下的各应力分量，并根据定义将各 组应力分量分别归入以下的类别：一次总体薄膜应力 Pm；一次局部薄膜应力PL；一次弯曲应力Pb；二次应 力Q；峰值应力F。
什么是应力 分类？
应力对容器强度失效所起作用的大小
（3）应力的作用区域与分布形式。即应力的作用是总体范围还是局部 范围的，沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性的。 （4）应力的性质。是沿壁厚均布/非均布的拉压应力，还是沿壁厚线性 分布的弯曲应力。
4.4.2.1 应力分类
一次总体薄膜应力Pm
一次应力 压力容器中的应力： 一次应力P
4.4.2.2 容器典型部位的应力分类
径向温度梯度产生的热应力沿厚度呈 非线性分布，可将它分为当量线性应 力和非线性分布应力两部分，如图所 示。所谓当量线性应力，是指和实际 应力有相同弯矩的线性分布应力。由 于热应力具有自限性，危害性比一次 应力小，所以分析设计将当量线性应 力划分为二次应力(Q)，而将余下的非 线性分布应力划为峰值应力(F)。
4.4.1
分析设计
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概述
压力容器分析设计时，必须先进行详细的应力分析，即 通过解析法或数值方法，将各种外载荷或变形约束产生 的应力分别计算出来，然后进行应力分类，再按不同的 设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种形式 的失效，这就是以应力分析为基础的设计方法，简称分 析设计
分析设计可应用于承受各种载荷、任何结构 形式的压力容器设计，克服了常规设计的不 足。
4.4.2.1 应力分类
二次应力Q 二次应力的实例： a.总体结构不连续处的弯曲应力。总体结构不连续对结构 总体应力分布和变形有显著的影响。 如：筒体与封头、筒体与法兰、筒体与接管以及不同厚度 筒体连接处。 b.总体热应力。是指解除约束后，会引起结构显著变形的 热应力。 例如：圆筒壳中轴向温度梯度所引起的热应力； 壳体与接管间的温差所引起的热应力； 厚壁圆筒中径向温度梯度引起的当量线性热应力。
容器部件 圆筒形或 球形壳体 位 置 远离不连 续处的 壳体 应力的起因 內 压 应 力 的 类 型 符号 Pm Q Q Q
一次总体薄膜应力 沿厚度的应力梯度二次 应力
轴向温度梯 薄膜应力二次应力 度 弯曲应力二次应力
与封头或 法兰的 连接处
在接管或 其它开孔 的附近
內
压
局部薄膜应力一次应力 弯曲应力二次应力
4.4.2 压力容器的应力分类
4.4.2.1 应力分类 压力容器应力分类的依据： 取决因素：
（1） 应力产生的原因。即应力是外载荷直接产生的还是在变形协调过 程中产生的，外载荷是机械载荷还是热载荷。 （2）导出应力的方法。是由外载和内力的静力平衡关系导出，还是由 两个连接元件之间或一个元件的不同部分之间的变形协调条件导出。
4.4.3 应力强度计算
应力强度计算步骤
（3）将各类应力按同种分量分别叠加，得到Pm、PL、PL+Pb 和PL+Pb+Q共四组应力分量，每组有六个。 （4）由每组六个应力分量，计算各自的主应力1、2和3， 取1>2>3。 （5）计算每组的最大主应力差 13=1-3 各组的13即为与Pm、PL、PL+Pb和PL+Pb+Q相对应的 应力强度SⅠ、SⅡ、SⅢ和SⅣ。
4.4.2.1 应力分类
一次应力P （3）一次局部薄膜应力PL 在结构不连续区由内压或其它机械载荷产生的薄膜应力和 结构不连续效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应力。 作用范围是局部区域 。 具有一些自限性，表现出二次应力的一些特征，从保守 角度考虑，仍将它划为一次应力。
实例：壳体和封头连接处的薄膜应力； 在容器的支座或接管处由外部的力或力矩引起的薄膜应力。
4.4.2.1 应力分类
一次应力P （1）一次总体薄膜应力Pm 在容器总体范围内存在的薄膜应力即为一次总体薄膜应力 是指沿厚度方向均匀分布的应力，等于沿厚度方向的应力 平均值。
一次总体薄膜应力达到材料的屈服点就意味着筒体或 封头在整体范围内发生屈服，应力不重新分布，而是 直接导致结构破坏 。
如：薄壁圆筒或球壳中远离结构不连续部位由内压力引起的薄膜应力； 厚壁圆筒中由内压产生的轴向应力以及周向应力沿厚度的平均值。
4.4.2.1 应力分类
二次应力Q 二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起 的正应力或剪应力。二次应力不是由外载荷直接产生的， 其作用不是为平衡外载荷，而是使结构在受载时变形协调。 基本特征 它具有自限性，也就是当局部范围内的材料发生屈服或小 量的塑性流动时，相邻部分之间的变形约束得到缓解而不 再继续发展，应力就自动地限制在一定范围内。
峰值应力F 局部结构不连续 是指几何形状或材料在很小区域内的不连续，只在很小 范围内引起应力和应变增大，即应力集中，但对结构总 体应力分布和变形没有显著的影响。
结构上的小半径过渡圆角、未熔透、咬边、裂纹等 都会引起应力集中，在这些部位存在峰值应力。 例如，受均匀拉应力作用的平板，若缺口的应力集 中系数为Kt，则F＝（Kt-1）。
4.4.2.1 应力分类
峰值应力F 局部热应力 解除约束后，不会引起结构显著变形的热应力。 例如： ◆结构上的小热点处（如加热蛇管与容器壳壁连接处） 的热应力； ◆碳素钢容器内壁奥氏体堆焊层或衬里中的热应力； ◆复合钢板中因复层与基体金属线膨胀系数不同而在 复层中引起的热应力； ◆厚壁圆筒中径向温度梯度引起的热应力中的非线性 分量。
1 4 壁厚则划为F， 否则为Q。
影响区小于
注意：上述应力分类只对有较高韧性的材料才有意义。若是脆性材料，一 次应力和二次应力的影响没有明显不同，对应力进行分类没有意义。压缩 应力主要与容器的稳定性有关，也不需要加以分类。
4.4.2.2 容器典型部位的应力分类
表4-15 压力容器典型部位的应力分类
4.4.2.1 应力分类
一次应力P （2）一次弯曲应力Pb 一次弯曲应力是指沿厚度线性分布的应力。它在内、外表 面上大小相等、方向相反 。 由于沿厚度呈线性分布，随外载增大，故内、外表面先进 入屈服，内部材料却仍处于弹性状态。若载荷继续增大， 应力沿厚度的分布将重新调整。因此这种应力对容器强度 失效的危害性没有一次总体薄膜应力那样大 。 典型实例：平封头中部在压力作用下产生的弯曲应力。
4.4.2.1 应力分类
一次应力P 局部的界定 一次总体薄膜应力和一次局部薄膜应力是按薄膜应力沿经线方 向的作用长度来划分的 薄膜应力强度超过1.1Sm的区域沿经 线方向延伸的距离不大于1.0 R 局部应力
一次局部薄膜应力强度超过1.1Sm的两个相邻应 力区之间沿经线方向的间距不得小于 2.5 Rm m 否则应划为一次 总体薄膜应力